Linux系统内核main函数执行之前

Posted 2020-10-15 挖洞的土拨鼠

1、linux是一个操作系统在机器加电后，需要从硬件通过一个引导程序加载os kernel，那么在os kernel的main函数运行之前，都发生了什么呢？

（1）引导Bios（存储在ROM芯片中，ROM：只读存贮器，现在一般为闪存）的启动（准备实模式下的中断向量表和中断服务程序）

实模式：Intel80x86系列的一种cpu运行模式，特点，20位地址寻址（1MB），可直接访问BIOS和周边的硬件，没有硬件支持的实时多任务和分页机制。

BIOS任务：把os 加载到RAM（随机存取存储器，也就是常见的内存条）

所有的cpu在加电时强行进入16位实模式，此时cpu的一些特殊值：

CS：0xF0000，IP：0xFFF0 所以起始地址为CS：IP   =   0xFFFF0也就是BIOS的地址。

CS：代码段寄存器

IP：指令指针寄存器（IP对应16位，EIP对应32位，RIP对应64位）

指令的地址：代码段其实地址+指令段内偏移地址 = CS + IP

中断向量表的位置：0x00000 ~ 0x003FF （一共1kb）：一共256个中断向量（CS：IP），每个4B（CS：2B；IP：2B）

BIOS数据区：0x00400 ~ 0x004FF

中断服务程序：0x0E50B ~ 0x0FFFE

中断int

（2）加载第一部分kernel代码（bootsect）

BIOS收到int 0x19，转到中断服务程序0x0E6F2（启动加载服务程序的入口地址）：把第一扇区的512B代码加载到内存制定位置（0x07C00）

（3）加载第二部分代码：

首先规划内存，然后拷贝自身从0x07C00 到0x90000

（DS/ES/FS/GS/SS段寄存器，SP栈顶指针）

然后是int 0x13，将setup.s这一部分代码加载到内存0x90200处。

bootsect和setup.s是紧紧连在一起的此时SS：SP的值是0x9FF00

（4）加载系统模块

bootsect利用int 0x13加载系统模块，执行加载任务的主要程序read_it ，将约120KB的内容加载值0x10000（SYSSEG）处

然后确认一下根设备号，根文件系统设备（root device）：系统中利用工具做出一个文件系统并加载至本机。

（5）通过jumpi 0，SETUPSEG：跳转至setup.s（0x90200）处，执行setup

利用BIOS提供的中断服务程序从设备读取机器系统数据，从0x41 和 0x46 处读取 硬盘参数表1 和 硬盘参数表2 ，分别放置在

0x90080 和 0x90090 处 

系统的数据加载到内存：0x90000-0x901FD total：510B

开始实模式到保护模式的变化

（6）关闭中断（CPU IF位：0）

开中断和关中断（cli 和 sti）

复制内核到内存的0x00000处（释放BIOS的中断向量表和中断服务程序，然后移动内核）

设置中断描述符表 和 全局描述符表 （IDT 和 GDT），

中断描述符表寄存器（IDTR）

全局描述符表寄存器（GDTR）系统中唯一存放段寄存器内容的数组，配合保护模式下的寻址

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存放任务的局部描述符表（LDT）地址 和 任务状态段（TSS）地址 完成进程各段的寻址，进城现场的保护与恢复

GDTR标示GDT的入口，一般用LGDT将GDT基地址加载到GDTR

IDT：中断服务程序的入口地址。

IDTR：保存IDT的起始地址。（LIDT指令完成）

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（7）打开A20，实现32位寻址（否则，即在16位模式下，超范围寻址将导致寻址回滚）

  32位寻址：最大寻址空间4GB

执行head.s

首先认识一下可编程中断控制器：8259A：单片可管理8级向量优先级中断（可联级，最多管理64级向量中断）

int 0x00 ~ int 0x1F   内部中断（不可屏蔽） 和 异常中断

保护模式下：IRQ0x00 ~ IRQ0x0F 对应中断号：int 0x20 ~ int 0x2F

设置保护模式的代码：

mov ax，#0x0001

lmsw ax

此时cr0寄存器第0位：PE置1

跳转到head.s入口结束setup开始执行head文件。

注：x87：数学协处理器，外置可选（从486之后一般改为内置）。

将head.s 汇编成目标代码，c语言kernel编译成目标代码，连接成system模块。    

其中head：

25KB + 184B

head在0x000000位置创建也目录表，页表，缓冲区，GDT，IDT（占用覆盖head已经执行过的代码）

内核起始位置0x000000 _pg_dir (页表目录起始位置)

重建一套GDT，因为源GDT内存位置将被覆盖。

检查数学协处理器

最后的准备：

L6标号和main函数入口地址压栈，L6是main函数异常退出时的程序转接点：程跳转到setup_paging去建立分页机制。

一页：4KB

Main函数入口：0x064b8

全局描述符表：0x05cb8

中断描述符表：0x054b8

剩余184B：0x05400

软盘缓冲区：0x05000

页表3到页表0的起始：0x01000 0x03000 0x02000 0x01000

页表目录：0x00000

Pg位CR0寄存器第31位：控制分页。

CR3寄存器：分页机制虚拟地址到物理地址的映射。

然后开始调用main。